JP2019092073A - Time-to-digital conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、時間デジタル変換回路に関する。 The present invention relates to a time digital conversion circuit.
従来、電圧・電流信号がアナログデジタル信号処理に一般的に用いられる。また、AD変換回路、DA変換回路、又はアナログフィルタ等が信号処理回路として挙げられる。一方、超微細CMOSプロセスでは、低電源電圧のため電圧・電流信号のダイナミックレンジを確保することが難しく、高性能なAD変換回路、DA変換回路、アナログフィルタを実現することが難しい。しかしながら、デジタル回路は微細化の恩恵をうけるため低電源電圧下でも高速動作可能となり、デジタル回路の時間分解能は向上する。時間信号を信号処理に用いることで、超微細CMOSプロセスで高精度な信号処理を行うことが可能であるが、時間信号をアナログデジタル信号処理に用いる場合、時間デジタル変換回路が必要である。また、ダイナミックレンジを確保するためには、時間デジタル変換回路の高精度化が必須である。 Conventionally, voltage and current signals are generally used for analog digital signal processing. Further, an AD converter circuit, a DA converter circuit, an analog filter, or the like can be given as the signal processing circuit. On the other hand, in the ultra-fine CMOS process, it is difficult to secure the dynamic range of voltage and current signals because of the low power supply voltage, and it is difficult to realize a high-performance AD converter circuit, DA converter circuit, and analog filter. However, the digital circuit can operate at high speed even under a low power supply voltage because of the benefit of miniaturization, and the time resolution of the digital circuit is improved. By using a time signal for signal processing, it is possible to perform highly accurate signal processing in an ultra-fine CMOS process, but when using a time signal for analog-digital signal processing, a time-to-digital conversion circuit is required. Also, in order to secure the dynamic range, it is essential to improve the accuracy of the time digital conversion circuit.
時間デジタル変換回路には様々な回路方式があるが、発振回路を用いる時間デジタル変換回路は、高いダイナミックレンジを簡単な構成で実現できる回路方式である。 There are various circuit systems in the time digital conversion circuit, but the time digital conversion circuit using the oscillation circuit is a circuit system which can realize a high dynamic range with a simple configuration.
以下の特許文献1及び非特許文献1においては、準安定性(metastability)の問題を回避する為の時間デジタル変換回路が提案されている。非特許文献2及び3においては、発振回路を用いる時間デジタル変換回路において、発振回路の位相出力信号を0,1の2値デジタル信号として扱うのではなく、細分化した電圧レベルを有するアナログ信号として扱い、位相をより緻密に解釈することにより高精度化を可能とする技術が提示されている。
しかしながら、上述のような非特許文献2および非特許文献3に記載の高精度化技術では、
・セットアップ時間違反によるラッチ回路の準安定性
・ホールド時間違反によるラッチ回路の準安定性
・クロックスキュー
・素子間の個体差によるデジタル回路のタイミングのずれ
などに由来する精度劣化に関して課題がある。
However, in the high precision technology described in Non-Patent
-Metastability of the latch circuit due to setup time violation-Metastability of the latch circuit due to hold time violation-Clock skew-There is a problem regarding accuracy deterioration due to the timing deviation of the digital circuit due to individual differences among elements.
非特許文献2及び3に記載に記載された時間デジタル変換回路においては、上述の精度劣化を回避するための方法は提案されていない。
In the time-to-digital converter circuits described in
本発明の一態様は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention is made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a time-to-digital conversion circuit in which accuracy deterioration is suppressed.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る時間デジタル変換回路は、複数の位相信号を出力する発振回路と、上記複数の位相信号が入力され、スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路と、上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路と、上記クロック生成回路の出力をカウントして、上記発振回路の周期をカウントするカウンタ回路と、上記位相サンプリング回路の出力信号と、上記カウンタ回路のカウンタ値と、上記クロック生成回路の出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路とを備える。 In order to solve the above problems, the time-to-digital converter according to one aspect of the present invention includes an oscillation circuit that outputs a plurality of phase signals and a stop that receives the plurality of phase signals and is input after the start signal is input. A phase sampling circuit that samples each of a plurality of phase signals and outputs an output signal according to the sampling result due to the input of the signal, and one of the plurality of phase signals is input, and the input of the stop signal A clock generation circuit that latches and outputs the one phase signal, a counter circuit that counts the output of the clock generation circuit and counts the period of the oscillation circuit, and an output of the phase sampling circuit The start signal input with reference to the signal, the counter value of the counter circuit, and the output or internal state of the clock generation circuit And a decode circuit for outputting a digital signal indicating the time of Luo to the stop signal input.
本発明の一態様によれば、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路を実現できる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a time-to-digital conversion circuit in which accuracy degradation is suppressed.
〔実施形態1〕
まず、図1を参照しながら、本発明の前提構成である時間デジタル変換回路について説明する。
First, with reference to FIG. 1, a time-to-digital converter which is a premise of the present invention will be described.
図1は、本発明の前提構成である時間デジタル変換回路1を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a time
図1に示す通り、時間デジタル変換回路1は、発振回路2、位相サンプリング回路3a〜3d、クロック生成回路4、カウンタ回路5、及びデコード回路6を備える。
As shown in FIG. 1, the time
時間デジタル変換回路1には、START端子8からのSTART信号と、STOP端子9からのSTOP信号とが入力され、START信号がLow(0)からHigh(1)へ変化した時点から、STOP信号がLowからHighへ変化した時点間の時間を計測する。
The START signal from the
発振回路2は、非反転型の遅延素子21〜24と、遅延素子24の出力PHI3を反転して遅延素子21にフィードバックする反転素子25とを備えるリング型発振回路である。
The
遅延素子21〜24はデジタル信号入力端子、デジタル信号出力端子、及びenable制御端子を有し、上記デジタル信号入力端子に入力されるデジタル信号を上記デジタル信号出力端子から所定の一定時間遅延させ、位相出力信号(PHI0〜3)として出力する。遅延素子21〜24は、START信号の入力に起因して発振を開始し、enable制御端子からの入力がLowである場合、遅延動作せず、予め設定された所定のデジタル値を出力し、enable制御端子からの入力がHighの場合、遅延動作をする。上記enable制御端子は時間デジタル変換回路1の時間計測開始信号であるSTART端子に接続される。
Each of the
なお、時間デジタル変換回路1が備える発振回路は、リング型ではない発振回路であって、同様の機能又は相当する機能が実現できる発振回路であってもよい。
The oscillation circuit included in the time
位相サンプリング回路(群)3は、第1の位相サンプリング回路3a、第2の位相サンプリング回路3b、第3の位相サンプリング回路3c、及び第4の位相サンプリング回路3dを備える。
The phase sampling circuit (group) 3 includes a first phase sampling circuit 3a, a second
第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dは、発振回路2からの位相出力信号(PHI0〜3)をアナログ信号としてサンプリングし、所定の電圧レベルと比較しデジタル値(DPHI0〜3)を出力する。
The first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d sample the phase output signals (
位相サンプリング回路3aは、発振回路2の出力信号を増幅するバッファ回路31aと、上記出力信号をサンプリングするためのキャパシタ(コンデンサ)32aと、サンプリングされた出力信号をある基準電圧レベルと比較し、その比較結果をデジタル信号として出力するコンパレータ回路33aと、サンプリング直後から一定時間経過後にコンパレータ回路33aを動作させるための遅延回路34aとを備える。なお、位相信号とは、周期的に同じ波形を有する信号を意味する。
The phase sampling circuit 3a compares a
また、図1に示すように、第2から第4の位相サンプリング回路3b〜3dについても、位相サンプリング回路3aが備える部材とそれぞれ対応する部材を備える。
Further, as shown in FIG. 1, the second to fourth
第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dは、時間計測停止信号であるSTOP信号がLowからHighになった時点における位相信号(PHI0〜3)の電圧レベルをサンプリングする。 The first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d sample the voltage levels of the phase signals (PHI0 to 3) when the STOP signal, which is a time measurement stop signal, changes from low to high.
クロック生成回路4は、ラッチ回路41とシュミットトリガ回路42とを備える。
The
ラッチ回路41は、HighまたはLowの1bitに相当する値を保持できる回路である。ラッチ回路41には、発振回路2の位相出力信号PHI3と、STOP信号とが入力され、STOP信号がLowの間、位相出力信号PHI3の値をそのままシュミットトリガ回路42へ出力するが、STOP信号がHighの間、STOP信号がLowからHighへ変化した時点での出力信号の値を保持する。
The
シュミットトリガ回路42は、入力信号のノイズを除去できる回路である。シュミットトリガ回路42は、大小2つの閾値を有し、入力信号が大きい方の閾値よりも大きい値であった場合、Highである信号を出力し、入力信号が小さい方の閾値よりも小さい値であった場合、Lowである信号を出力する。入力信号が小さい方の閾値以上且つ大きい方の閾値以下である場合は、直前の出力を引き続き出力する。
The Schmitt
シュミットトリガ回路42は、ラッチ回路41のセットアップ/ホールド時間違反による準安定性の問題を回避するために、ラッチ回路41の後段に配置するのが好ましい。
The Schmitt
即ち、クロック生成回路4は、シュミットトリガ回路42を含み、カウンタ回路5には、シュミットトリガ回路42により整形されたクロック信号が入力される。
That is, the
クロック生成回路4の動作により、START信号がHighに設定され、STOP信号がHighとなるまでの期間の、発振回路2の発振周期をカウンタ回路5にて計数することができる。
By the operation of the
カウンタ回路5は、複数のフリップフロップから構成されるリップルカウンタ方式のカウンタであり、入力信号のHighからLowへの立下りをカウントする。
The
デコード回路6は、位相サンプリング回路3a〜3dの出力DPHI0〜3と、カウンタ回路5のデジタル出力MSB_CNTとからデコードを行う。
The
図2は、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPI0〜DPI3から、時間デジタル変換回路1の出力信号DOUTの計算に係る値であるLSB_DECを求める為のルックアップテーブルを示す図である。例えば、DPHI0=1、DPHI1=1、DPHI2=1、DPHI3=0である場合、図2よりLSB_DECの値は3となる。
FIG. 2 is a diagram showing a look-up table for obtaining LSB_DEC which is a value related to the calculation of the output signal DOUT of the time
LSB_DECとカウンタ回路5の出力MSB_CNTとより、デコード回路6の出力DOUTを次式にしたがって計算し、時間デジタル変換回路1の出力信号とする。
DOUT=LSB_DEC+MSB_CNT・8
上記のようなデコードを行うことで、カウンタ回路5からのカウント値(MSB_CNT)と位相サンプリング回路3の出力信号(DPHI0〜3)とに基づいた値を出力する高分解能の時間デジタル変換回路1を実現することができるという効果を奏する。
From the LSB_DEC and the output MSB_CNT of the
DOUT = LSB_DEC + MSB_CNT · 8
The high resolution time
しかしながら、時間デジタル変換回路1はpico-secondオーダーの信号を扱うため、予期しないタイミングのずれや準安定性の問題が発生するという副次的な問題がある。
However, since the time-to-
以下、準安定性の問題について、図3と図4とに基づいて説明する。 Hereinafter, the problem of metastability will be described based on FIGS. 3 and 4.
図3は、各素子又は回路における出力信号の一例を示すタイミング図である。 FIG. 3 is a timing chart showing an example of an output signal in each element or circuit.
図3は、図示しないタイミングT0でSTART信号がHighに設定され、TnにおいてPHI3(クロック生成回路4の入力信号)のHighからLowへの立下りをN回カウントした後、次にPHI3が立ち下がるカウントの直前であって、ほぼ同一のタイミングTS2において、STOP信号がLowからHighになった場合を示している。 In FIG. 3, the START signal is set to High at timing T0 (not shown), and after PHI3 (input signal of clock generation circuit 4) has counted High to Low falling N times at Tn, then PHI3 falls. The figure shows the case where the STOP signal changes from low to high immediately before counting and at substantially the same timing TS2.
TS2の時点でのPHI0=0, PHI1=0, PHI2=0, PHI3=1がサンプリングされるため、DPHI0=0,DPHI1=0,DPHI2=0,DPHI3=1が位相サンプリング回路から出力される。また、図2からLSB_DEC=7である。そしてリップルカウンタの値はNで、MSB_CNT=Nであるので、DOUT=7+8Nとなる。図3はタイミングのずれや準安定性の問題が無い理想的な場合である。 Since PHI0 = 0, PHI1 = 0, PHI2 = 0, and PHI3 = 1 at the time of TS2 are sampled, DPHI0 = 0, DPHI1 = 0, DPHI2 = 0, and DPHI3 = 1 are output from the phase sampling circuit. Further, from FIG. 2, LSB_DEC = 7. Since the value of the ripple counter is N and MSB_CNT = N, DOUT = 7 + 8N. FIG. 3 is an ideal case where there is no problem of timing deviation or metastability.
図4は、準安定性の問題またはタイミングのずれが発生した場合の一例を示すタイミング図である。 FIG. 4 is a timing diagram illustrating an example where a metastability problem or timing deviation occurs.
図4は、図3において示す場合と同様、図示しないタイミングT0でSTART信号がHighに設定され、TnにおいてPHI3の立下りをN回カウントした後、次のPHI3が立下がるカウントの直前であって、ほぼ同一のタイミングTS2においてSTOP信号がLowからHighになった場合を示している。
Similarly to the case shown in FIG. 3, after the START signal is set to High at timing T0 (not shown) and N falling edges of
しかしながら図3において示した場合とは異なり、クロック生成回路4内のラッチ回路41の準安定性の問題またはタイミングのずれの発生により、TS2よりも前にPHI3の立下りがカウンタ回路5によりカウントされている。
However, unlike the case shown in FIG. 3, due to the problem of metastability of
上記の場合、DPHI0=0,DPHI1=0,DPHI2=0,DPHI3=1であるので図2からLSB_DEC=7であるが、カウンタ回路のカウント値がN+1になるため、MSB_CNT=N+1になり、DOUT=7+8・(N+1)となる。 In the above case, since DPHI0 = 0, DPHI1 = 0, DPHI2 = 0, and DPHI3 = 1, although LSB_DEC = 7 in FIG. 2 because the count value of the counter circuit is N + 1, MSB_CNT = N + 1. , DOUT = 7 + 8 · (N + 1).
上記の様に、準安定性の問題またはタイミングのずれの発生により、測定結果(DOUT)が異なる値となる場合が発生する。このような事が発生すると測定の精度が劣化してしまう。 As described above, the occurrence of metastability problems or timing deviation may cause the measurement results (DOUT) to have different values. If such a thing occurs, the accuracy of measurement will deteriorate.
次に、図5〜図9を参照しながら、本願発明の実施形態1に係る時間デジタル変換回路1aについて説明する。時間デジタル変換回路1aは、ラッチ回路の準安定性の問題やデジタル回路のタイミングのずれによる精度劣化を回避するものである。
Next, the time-to-
なお便宜上、上述の時間デジタル変換回路1を用いた説明における部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、説明を省略する。
For the sake of convenience, the same reference numerals are appended to members having the same functions as the members in the description using the above time
図5は、時間デジタル変換回路1aを示す概略図である。図5に示すように、時間デジタル変換回路1aは、発振回路2、位相サンプリング回路(群)3、クロック生成回路4a、カウンタ回路5、及びデコード回路6aを含む。
発振回路2は、遅延素子をリング状に配置したリング型発振回路であり、また、説明を簡単化するため1入力1出力の遅延素子からなるシングルエンド型である。2入力2出力の遅延素子をリング状に形成した差動型かつリング型発振回路も構成可能である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the time
The
差動型発振回路を用いることにより、電源、グランドノイズの影響を受けにくい時間デジタル変換回路を実現できる。 By using a differential oscillation circuit, it is possible to realize a time-to-digital conversion circuit that is less susceptible to the effects of power supply and ground noise.
位相サンプリング回路3が備える第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dは、発振回路2からの位相出力信号(PHI0〜3)をアナログ信号としてサンプリングし、所定の電圧レベルと比較しデジタル値(DPHI0〜3)を出力する。
The first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d included in the
クロック生成回路4aは、シュミットトリガ回路42を含み、カウンタ回路5には、シュミットトリガ回路42により整形されたクロック信号が入力される。
The
準安定性の問題によりラッチ回路41から極短い寄生パルスが生じる可能性がある。このとき、本発明に示す補正方法を用いる場合であっても、準安定性の問題を回避できない。シュミットトリガ回路42を設けることで該準安定性の問題をより確実に回避することができる。
Due to metastability problems, it is possible for the
デコード回路6aには、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPHI0、DPHI1、DPHI2、及びDPHI3と、カウンタ回路5のデジタル出力MSB_CNTとに加え、クロック生成回路4aが備えるラッチ回路41の出力信号CLK3が入力される点において、図1に示す時間デジタル変換回路1とは構成が異なる。
In addition to the digital outputs DPHI0, DPHI1, DPHI2, and DPHI3 of the phase sampling circuits 3a to 3d and the digital output MSB_CNT of the
なお、上記の構成は一例であって、本発明を実施する場合に、必ずしも時間デジタル変換回路1aと同一の構成でなければならないことを意味しない。
The above configuration is an example, and does not necessarily mean that the configuration must be the same as that of the time
図6は、ルックアップテーブルを示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing a look-up table.
図6に示すルックアップテーブルにより、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPI0〜DPI3と、クロック生成回路4aの出力信号とから、時間デジタル変換回路1aの出力信号DOUTの計算に係る値であるLSB_DECとMSB_CALとを求めることができる。例えば、DPHI0=1、DPHI1=1、DPHI2=0、DPHI3=0、CLK3=0である場合、図6よりLSB_DEC=2、MSB_CAL=0となる。
According to the look-up table shown in FIG. 6, LSB_DEC which is a value related to the calculation of the output signal DOUT of the time
LSB_DEC、MSB_CAL、及びカウンタ回路5の出力信号MSB_CNTより、デコード回路6aの出力DOUT’を次式にしたがって計算し、時間デジタル変換回路1aの出力信号とする。
DOUT’=LSB_DEC+(MSB_CAL+MSB_CNT)・8
上述の記載は、デコード回路6aは、位相サンプリング回路3a〜3dのデジタル出力DPI0〜DPI3と、クロック生成回路4aの出力CLK3とからLSB_DEC及び、新たな参照信号であるMSB_CALを生成し、上記参照信号と、カウンタ回路5のカウンタ値MSB_CNTとに応じたデジタル信号DOUT’を出力すると言い換えることもできる。また、参照信号LSB_DECに併せてMSB_CALの値をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、後述するように、準安定性の問題又はタイミングのずれに由来する不整合を補正することができる。
From the LSB_DEC, MSB_CAL, and the output signal MSB_CNT of the
DOUT '= LSB_DEC + (MSB_CAL + MSB_CNT) · 8
In the above description, the
MSB_CALの値を確認することで、準安定性・クロックスキュー・タイミングずれによる不整合が発生したかどうかを確認することができる。具体的には、MSB_CALの値が0であれば、上記不整合は発生していないが、MSB_CALの値が1又は-1であれば、上記不整合が発生している。 By checking the value of MSB_CAL, it can be checked whether a mismatch due to metastability, clock skew or timing deviation has occurred. Specifically, when the value of MSB_CAL is 0, the above mismatch does not occur, but when the value of MSB_CAL is 1 or -1, the above mismatch occurs.
図7は、各素子又は回路における出力信号の一例を示すタイミング図である。 FIG. 7 is a timing chart showing an example of an output signal in each element or circuit.
図7は、準安定性の問題やタイミングのずれが発生しない理想的な場合を示すタイミング図であって、START信号が既にHighレベル(1)となっている場合において、STOP信号がLowからHighへ切り替わる時点でのタイミング図である。 FIG. 7 is a timing chart showing an ideal case where no metastability problem or timing deviation occurs, and the STOP signal is from Low to High when the START signal is already at High level (1). It is a timing diagram at the time of switching to.
START信号がHighである期間、発振回路2が発振動作を行い、遅延素子21〜24の出力波形はPHI0〜3に示す波形となる。
During a period in which the START signal is High, the
カウンタ回路5はSTART信号がHighとなってからのクロック生成回路4aの出力信号のHighからLowへの立下りをカウントし、0,1,…,N-1, Nと出力が更新される。位相サンプリング回路3a〜3dはSTOP信号が1に変化した時点での遅延素子出力をサンプリングし、遅延素子のHighレベルとLowレベルの中間値と比較して0または1を出力する。各コンパレータ回路は、STOP信号が1となった瞬間に、サンプリングされたPHI0〜3の値に応じて、0または1の値を出力する(一例として本実施形態においては(DPHI0, DPHI1, DPHI2, DPHI3) = (0, 0, 0, 1))。また、クロック生成回路4aにおいて、発振回路2の出力信号PHI3からの入力値がラッチされる(一例として本実施形態においては、CLK3=1の状態が保持される)。上記のサンプリングまたはラッチされた値 DPHI0〜3およびCLK3より、図6に従い、LSB_DEC=7, MSB_CAL=0となり、DOUT’は、理想的な値である7+8Nとなる。
The
本発明の時間デジタル変換回路1aにおいて、ラッチ回路41の準安定性の問題やデジタル回路のタイミングのずれが発生してもカウンタ回路5の出力と位相サンプリング回路3a〜3dの出力に不整合が発生せず、準安定性の問題やタイミングのずれに由来する問題を回避できることを説明する。
In the time-to-
図8は、ラッチ回路41において不整合が発生した場合の一例を示すタイミング図である。
FIG. 8 is a timing chart showing an example when a mismatch occurs in the
図7と同じ位相の信号については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。 The description of signals having the same phase as in FIG. 7 will be omitted, and only differences will be described.
図8は、準安定性の問題またはタイミングのずれが発生した場合の一例を示すタイミング図である。 FIG. 8 is a timing chart showing an example when a metastability problem or timing deviation occurs.
図8に示すように、ラッチ回路41の出力信号CLK3の位相が、回路バラツキ等により発振回路2の出力信号PHI3の位相よりも少し進んでいる為、STOP信号が1となる時点において、PHI3とCLK3とにタイミングのズレが生じ、ラッチ回路41はHigh(1)ではなく、Low(0)を保持するため、CLK3はLow(0)となる。
As shown in FIG. 8, since the phase of the output signal CLK3 of the
上記の場合に、図2にしたがって、時間デジタル変換回路1aの出力を計算すると、DOUT(補正なし)=15+8Nとなり、該タイミングのずれにより、DOUT(理想)と異なる値に落ち着く。一方、図6にしたがって算出すると、DOUT’(補正あり)=7+8Nとなり、DOUT(理想)と同じ値となる。このことから、該補正方法に従うとタイミングのずれが発生しても時間デジタル変換回路1aの性能劣化とはならない。
In the above case, when the output of the time-to-
なお、デコード回路6aは、ラッチ回路41からの出力信号CLK3、換言するとクロック生成回路4aの内部状態が得られる構成であれば、ラッチ回路41とデコード回路6aとが直接的に接続される構成に限定されない。
即ち、デコード回路6aは、クロック生成回路4aの出力信号CLK3又は内部状態と、位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号DPHI0〜DPHI3とに応じたLSB_DEC及び参照信号であるMSB_CALを生成し、タイミングエラーが発生したことを検出する。
That is, the
このように、LSB_DECに併せて参照信号MSB_CALの値をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、換言すると、位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号DPHI0〜DPHI3に併せてクロック生成回路4aの出力信号CLK3又は内部状態をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、準安定性の問題又はタイミングのずれに由来する不整合を補正することができる。
Thus, by using the value of the reference signal MSB_CAL together with LSB_DEC for the calculation of the output DOUT ′ of the
上述したように、時間デジタル変換回路1aは、複数の位相信号を出力する発振回路2と、上記複数の位相信号が入力され、上記スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路3a〜3dと、上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路4aと、クロック生成回路4aの出力をカウントして、発振回路2の周期をカウントする、カウンタ回路5と、位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号と、カウンタ回路5のカウンタ値と、クロック生成回路4aの出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路6aとを備える。
As described above, the time
上記の構成によれば、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路1aを実現できる。
According to the above configuration, it is possible to realize the time
以下、位相サンプリング回路3の構成例について説明する。
Hereinafter, a configuration example of the
図9は、第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dの構成例である。 FIG. 9 is a configuration example of the first to fourth phase sampling circuits 3a to 3d.
位相サンプリング回路3a〜3dは、入力信号をキャパシタ32とコンパレータ入力端子とに伝えるために配置されたスイッチング素子MN1及びMP2から構成されるインバータ回路と、該インバータ回路の出力端子とキャパシタ32間に配置されたサンプリング用スイッチSW1と、サンプリングされた電圧信号を保持するためのキャパシタ32と、電源電圧VDDとグランドレベルの中間電圧を生成するための抵抗R1及びR2と、該中間電圧レベルとサンプリングされた電圧信号を比較してロジックレベルとしてHigh又はLowである信号を出力するコンパレータ回路33とを備える。
The phase sampling circuits 3a to 3d are disposed between the output terminal of the inverter circuit and the
スイッチング素子MN1及びMP2は、FET(Field effect transistor、電界効果トランジスタ)であって、第1から第4の位相サンプリング回路3a〜3dにおけるバッファ回路31a〜31dの構成要素に相当する。
The switching elements MN1 and MP2 are FETs (Field Effect Transistors), and correspond to components of the
STOP信号がLowである場合、キャパシタ32はインバータ回路の出力端子に接続され、発振回路2の出力電圧の反転信号がキャパシタ32に伝わる。STOP信号がLowからHighへ変化した瞬間に、サンプリング用スイッチSW1は遮断され、その瞬間の電圧値がキャパシタ32に保持される。キャパシタ32に保持された電圧が安定化するのを待って、STOP信号がコンパレータ回路33に伝わり、キャパシタ32に保持された電圧と該中間電圧レベルとが比較され、コンパレータ回路33は、ロジックレベルとしてHigh又はLowである信号を出力する。
When the STOP signal is low, the
このように、位相サンプリング回路3a〜3dは、キャパシタ32とスイッチSW1とから構成されるアナログ信号サンプリング回路を備え、上記各サンプリング回路は、位相信号をアナログ電圧信号としてサンプリングする。
As described above, the phase sampling circuits 3a to 3d include an analog signal sampling circuit including the
発振回路2の各位相信号をアナログ信号として扱い、キャパシタ32に保持された電圧を該1つの中間電圧レベルだけではなく、複数の基準電圧レベルと比較したり、各位相信号を組み合わせて比較することで、位相サンプリング回路の時間分解能を向上することができる。
Treating each phase signal of the
本実施形態のようなデコードを行うことで、カウンタ回路5におけるカウント値(MSB_CNT)、発振回路2の位相信号(DPHI0〜3)、及びSTOP信号によりラッチされたラッチ回路41からの出力信号 (CLK3)とに基づいた値を出力する、高分解能の時間デジタル変換回路1aを実現することができる。
By performing the decoding as in this embodiment, the count value (MSB_CNT) in the
本実施形態においては、説明を簡単化するため、位相サンプリング回路3a〜3dの入力信号は、発振回路2の対応する出力信号1入力とし、コンパレータ回路33a〜33dにおいて比較される所定の電圧レベルを各入力信号(PHI0〜3)のHighレベルとLowレベルの中間値としたが、非特許文献2、3に記載のような構成にしても本発明は成り立つ。また、ここでは説明を簡略化するため、発振回路2はシングルエンド方式としたが、フル差動の発振回路を用いる方がより性能向上しやすい。
In the present embodiment, to simplify the description, the input signals of phase sampling circuits 3a to 3d are the
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る時間デジタル変換回路1aは、複数の位相信号を出力する発振回路2と、上記複数の位相信号が入力され、スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路3a〜3dと、上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路4aと、上記クロック生成回路4aの出力をカウントして、上記発振回路の周期をカウントする、カウンタ回路5と、上記位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号と、上記カウンタ回路5のカウンタ値と、上記クロック生成回路4aの出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路6aとを備える構成である。
[Summary]
The time-to-
上記の構成によれば、精度劣化を抑制した時間デジタル変換回路1aを実現できる。
According to the above configuration, it is possible to realize the time
本発明の態様2に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1において、上記デコード回路6aは、上記クロック生成回路4aの出力又は内部状態と、上記位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号とに応じた参照信号を生成し、タイミングエラーが発生したことを検出する構成としてもよい。
In the time
上記の構成によれば、クロック生成回路4aの出力CLK3又は内部状態と、上記位相サンプリング回路3a〜3dの出力信号DPHI0〜DPHI3とに応じた参照信号をデコード回路6aの出力DOUT’の計算に用いることで、準安定性の問題又はタイミングのずれに由来する不整合を補正することができる。
According to the above configuration, reference signals corresponding to the output CLK3 or the internal state of the
本発明の態様3に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1又は2において、上記位相サンプリング回路3a〜3dは、キャパシタ32とスイッチSW1とから構成されるアナログ信号サンプリング回路を備え、上記各サンプリング回路は、位相信号をアナログ電圧信号としてサンプリングする構成としてもよい。
In the time
上記の構成によれば、発振回路2の各位相信号をアナログ信号として扱い、キャパシタ32に保持された電圧を該1つの中間電圧レベルだけではなく、複数の基準電圧レベルと比較したり、各位相信号を組み合わせて比較することで、位相サンプリング回路の時間分解能を向上することができる。
According to the above configuration, each phase signal of
本発明の態様4に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1から3までの何れかにおいて、上記クロック生成回路4aは、シュミットトリガ回路42を含み、上記カウンタ回路5には、上記シュミットトリガ回路42により整形されたクロック信号が入力される構成としてもよい。
In the time-to-
上記の構成によれば、シュミットトリガ回路42を設けることで準安定性の問題をより確実に回避することができる。
According to the above configuration, by providing the
上記の構成によれば、カウンタ回路5における誤検知を防止できる効果を奏する。
According to the above configuration, there is an effect that false detection in the
本発明の態様5に係る時間デジタル変換回路1aは、上記の態様1から4までの何れかにおいて、上記発振回路2は、リング型発振回路であり、差動型遅延素子により構成される差動発振回路である構成としてもよい。
In the time-to-
上記の構成によれば、差動型発振回路を用いることにより、電源、グランドノイズの影響を受けにくい時間デジタル変換回路を実現できる。 According to the above configuration, by using the differential oscillation circuit, it is possible to realize a time-to-digital conversion circuit that is not easily affected by the power supply and the ground noise.
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the claims.
1、1a 時間デジタル変換回路
2 発振回路
3、3a〜3d 位相サンプリング回路
4、4a クロック生成回路
5 カウンタ回路
6、6a デコード回路
8 START端子
9 STOP端子
21〜24 遅延素子
25 反転素子
31a〜31d バッファ回路
32a〜32d キャパシタ(コンデンサ)
33a〜33d コンパレータ回路
34a〜34d 遅延回路
41 ラッチ回路
42 シュミットトリガ回路
DESCRIPTION OF
33a to
Claims (5)
上記複数の位相信号が入力され、スタート信号入力後に入力されるストップ信号の入力に起因して、複数の位相信号の各々をサンプリングし、サンプリングした結果に応じた出力信号を出力する位相サンプリング回路と、
上記複数の位相信号の1つが入力され、上記ストップ信号の入力に起因して、当該1つの位相信号をラッチして出力するクロック生成回路と、
上記クロック生成回路の出力をカウントして、上記発振回路の周期をカウントする、カウンタ回路と、
上記位相サンプリング回路の出力信号と、上記カウンタ回路のカウンタ値と、上記クロック生成回路の出力又は内部状態とを参照して、上記スタート信号入力から上記ストップ信号入力までの時間を示すデジタル信号を出力するデコード回路と
を備えることを特徴とする時間デジタル変換回路。 An oscillator circuit that outputs a plurality of phase signals;
A phase sampling circuit that receives the plurality of phase signals and samples each of the plurality of phase signals due to the input of the stop signal input after the start signal is input, and outputs an output signal according to the sampled result ,
A clock generation circuit which receives one of the plurality of phase signals and latches and outputs the one phase signal due to the input of the stop signal;
A counter circuit that counts the output of the clock generation circuit and counts the period of the oscillation circuit;
Referring to the output signal of the phase sampling circuit, the counter value of the counter circuit, and the output or internal state of the clock generation circuit, a digital signal indicating the time from the start signal input to the stop signal input is output. A time-to-digital converter circuit comprising:
上記クロック生成回路の出力又は内部状態と、
上記位相サンプリング回路の出力信号と
に応じた参照信号を生成し、
タイミングエラーが発生したことを検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の時間デジタル変換回路。 The above decode circuit
The output or internal state of the clock generation circuit;
Generates a reference signal according to the output signal of the phase sampling circuit,
The time-to-digital converter circuit according to claim 1, which detects that a timing error has occurred.
上記各サンプリング回路は、位相信号をアナログ電圧信号としてサンプリングする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の時間デジタル変換回路。 The phase sampling circuit comprises an analog signal sampling circuit composed of a capacitor and a switch,
The time-to-digital converter according to claim 1 or 2, wherein each of the sampling circuits samples a phase signal as an analog voltage signal.
上記カウンタ回路には、
上記シュミットトリガ回路により整形されたクロック信号が入力される
ことを特徴とする請求項1から3までの何れか1項に記載の時間デジタル変換回路。 The clock generation circuit includes a Schmitt trigger circuit,
The above counter circuit
The time-to-digital converter circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein a clock signal shaped by the Schmitt trigger circuit is input.
差動型遅延素子により構成される差動発振回路であることを特徴とする請求項1から4までの何れか1項に記載の時間デジタル変換回路。 The above oscillation circuit is a ring oscillation circuit,
The time-to-digital converter circuit according to any one of claims 1 to 4, which is a differential oscillation circuit constituted by differential delay elements.
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